VERFAHREN ZUR VERWERTUNG VON PHOSPHORHALTIGEN ABFÄLLEN

Beschreibung

Verfahren zur Verwertung von phosphorhaltigen Abfällen

[001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verwertung von phosphorhaltigen Abfällen in Anlagen für ihre ausschließlich energetische Verwertung, wie Monoverbrennungsanlagen für Klärschlamm und/oder Tiermehl, bei der Mitverbrennung in Kraftwerken oder bei

Zusatzfeuerungen in Brennöfen der Zementindustrie oder vergleichbaren Öfen anderer

Industriezweige.

[002] Steigende Energie- und Rohstoff-Preise zwingen zunehmend zu hoher Ressourcen- Effizienz in allen Bereichen der Wirtschaft und hat der Recycling-Industrie neue Märkte und Entwicklungsmöglichkeiten eröfmet. Beispielhaft wird in diesem Zusammenhang auf die in den vergangenen Jahren entwickelten P-Recycling- Verfahren verwiesen, deren Bedeutung darauf basiert, dass das Element Phosphor eine besondere Bedeutung für alle biologischen Prozesse besitzt und hierfür durch kein anderes Element ersetzt werden kann. Mangels eigener abbauwürdiger Phosphat-Lagerstätten sind Deutschland wie auch viele andere Länder abhängig vom Import von P-Erzen und P-Düngemitteln. Ein großer Teil dieser Phosphat-Importe könnte aber durch ein wirtschaftliches Recycling der in den Abfallstoffen wie beispielsweise

Klärschlamm und Tiermehl enthaltenen Phosphate ersetzt werden (Pinnekamp u. Everding, Schlusspräsentation der durch das BMBF geförderten Vorhaben. Vorträge. Berlin, 14. Sept. 2011; veröff. in Gewässerschutz- Wasser-Abwasser 228, Aachen 2011, ISBN 978-3-938996-34- 8).

[003] Mit Heizwerten von 10-12 MJ/kg TS, 2-6 % Phosphor in der Trockensubstanz (TS) und ca. 2 Mio. t/a TS in Deutschland bzw. fast 12 Mio. t/a TS in Europa stellt insbesondere

Klärschlamm eine bedeutsame energetische und stoffliche Ressource dar, deren Verwertung bisher unzureichend ist (Lehrmann: Klärschlamm-Entsorgung in Europa. Vortrag. VDI- Fachkonferenz„Klärschlammbehandlung". Heidelberg, 16/17. Nov. 2011). Praktisch schließen sich bis heute energetische Nutzung (Mono/Mitverbrennung) und stoffliche Verwertung (Düngung, P-Recycling) gegenseitig weitgehend aus, da beispielsweise bei der Mitverbrennung von Klärschlamm in einem Kohlekraftwerk der mit dem Klärschlamm eingebrachte P ₂ C>5-Anteil durch die bei der Kohleverbrennung anfallende Asche so stark verdünnt wird, dass ein P- Recycling wirtschaftlich nicht mehr sinnvoll ist.

[004] Im Gegensatz zur Mitverbrennung weist die bei der Monoverbrennung von Klärschlamm anfallende Asche erhöhte P ₂ 0 ₅ -Gehalte auf, die im Bereich von 7 - 25 % liegen (Petzet und Cornel:„Neue Wege des Phosphorrecyclings aus Klärschlammaschen", KA-Korrespondenz Abwasser, Abfall 2010 (57) Nr.4, S. 357-365; vergl. auch Lehrmann, so). Nachteilig ist, dass der in der Asche enthaltene Phosphor in einer Bindungsform vorliegt, die nur eine geringe Pflanzenverfugbarkeit besitzt und deshalb durch die erforderlichen höheren Düngemittelgaben bei Asche-Düngung eine Schwermetall-Anreicherung des Bodens auch dann zu erwarten ist, wenn die genannten Grenzwerte der DüMV eingehalten werden (Perez: Phosphorus dynamics in soil and plant availibility of fertilizers. Diss. Universität Göttingen, Juli 2010, S. 128-131).

[005] Die mit dem Ziel entwickelten Verfahren, die Pflanzenverfügbarkeit des in der Asche enthaltenen Phosphors zu erhöhen und die Asche gleichzeitig von Schwermetallen zu entfrachten lassen sich zur Zeit noch nicht wirtschaftlich darstellen (vergl. Pinnekamp u. Everding).

[006] Jedoch scheinen unter wirtschaftlichen Aspekten betrachtet, speziell thermochemische bzw. metallurgische Verfahren für ein solches Phosphorrecycling geeignet zu sein.

[007] Bei dem durch die AshDec GmbH angebotenen Verfahren für Aschen aus Mono- Verbrennungsanlagen wird die Schwermetall-Entfrachtung durch eine chlorierende Röstung bei 1000°C im Drehrohr-Ofen erreicht (Adam: Technische Möglichkeiten der

Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm-Aschen. VDI Fachkonferenz„Klärschlamm- Behandlung". Offenbach, 27728. Okt. 2010). Unter den gewählten Reaktions-Bedingungen entstehen Bindungsformen des Phosphors, die eine hohe Pflanzenverfugbarkeit gewährleisten. Die Nachteile des Verfahrens liegen im Energie- Verbrauch des fremdbeheizten Drehrohr-Ofens, in der Anlagen-Verfügbarkeit beim Dauerbetrieb mit heißen chlorhaltigen Gasen und beim Aufwand zur Regeneration der eingesetzten chloridhaltigen Additive.

[008] Das Mephrec- Verfahren, für das P-Recycling aus Klärschlamm und Tiermehl wie auch aus den Monoverbrennungs- Aschen dieser Materialien erprobt, ist ein metallurgisches

Verfahren, bei dem eine gleichzeitige stoffliche und energetische Verwertung von

phosphorhaltigen Abfällen realisiert wird (Scheidig, Mallon, Schaaf: Zulainftsfähige

Klärschlamm-Verwertung. KA - Korrespondenz Abwasser, Abfall 57 (2010) Nr. 9, S. 902-915). Bei dieser Sauerstoff- Schmelzvergasung von organik- und phosphorhaltigen Abfallen wie bspw. Klärschlamm wird neben der schwermetallarmen Schlacke mit einer hohen

Zitronensäurelöslichkeit des Phosphors, ähnlich dem in der Vergangenheit in der Landwirtschaft zur Phosphordüngung eingesetztem Thomasmehl, und einer Metalllegierung ein Brenngas erzeugt, das aufbereitet zur thermischen Nachverbrennung oder zur energetischen Verwertung, zB zur Stromerzeugung im BHKW geeignet ist. Nachteilig ist, dass bei der Schmelzvergasung von Monoverbrennungs-Asche allein der Heizwert dieses Gases für eine wirtschaftliche

Verstromung nicht ausreicht. Das wirkt sich insgesamt nachteilig für das Mephrec-Verfahren zum Phosphorrecycling und stofflichen Verwertung von Aschen aus, welches durch den im Mephrec-Reaktor notwendigen Einsatz von metallurgischem Koks verfahrenspezifisch relativ hohe Betriebs-Kosten aufweist.

[009] Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine stoffliche Verwertung durch P- Recycling aus phosphorhaltigen Abfällen in Anlagen für ihre ausschließlich energetische Verwertung, wie Monoverbrennungsanlagen für Klärschlamm und/oder Tiermehl, bei der Mitverbrennung in Kraftwerken oder bei Zusatzfeuerungen in Brennöfen der Zementindustrie oder vergleichbaren Öfen anderer Industriezweige zu schaffen.

[010] Die Aufgabe wird durch die Integrierung einer Anlage zur Schmelzvergasung von P- haltigen Stoffen in bestehende oder neu zu errichtende Anlagen zur ausschließlichen

energetischen Verwertung von P-haltigen Stoffen, wie Monoverbrennungsanlagen für

Klärschlamm und/oder Tiermehl, bei der Mitverbrennung in Kraftwerken oder bei

Zusatzfeuerungen in Brennöfen der Zementindustrie oder vergleichbaren Öfen anderer

Industriezweige entsprechend den Merkmalen der Patentansprüche gelöst.

[011] Vorteilhafterweise werden die nach dem Stand der Technik anerkannten wirtschaftlichen und verfahrenstechnischen Vorteile von Anlagen für die ausschließlich energetische Verwertung von phosphorhaltigen Abfällen, wie Monoverbrennungsanlagen für Klärschlamm und/oder Tiermehl, bei der Mitverbrennung in Kraftwerken oder bei Zusatzfeuerungen in Brennöfen der Zementindustrie oder vergleichbaren Öfen anderer Industriezweige mit der Sauerstoff- Schmelzvergasung von organik- und phosphorhaltigen Abfallen wie bspw. Klärschlamm verbunden, bei dem neben der schwermetallarmen Schlacke mit einer hohen

Zitronensäurelöslichkeit des Phosphors ähnlich dem in der Vergangenheit in der Landwirtschaft zur Phosphordüngung eingesetztem Thomasmehl und einer Metalllegierung ein Brenngas erzeugt wird, das aufbereitet zur thermischen Nachverbrennung und/oder alternativ zur energetischen Verwertung, zB zur Stromerzeugung im BHKW geeignet ist. Weiter vorteilhaft ist, dass die Erfindung sowohl für alle bestehenden Monoverbrennungs-Anlagen für

Klärschlamm und/oder Tiermehl, für Anlagen zur Mitverbrennung von Klärschlamm und/oder anderen P-haltigen Stoffen mit hohen organischen Anteil wie Kraftwerke, Brennöfen der Zementindustrie oder vergleichbaren Öfen anderer Industriezweige als auch beim Neubau solcher Anlagen anwendbar ist und gleichzeitig die Wirtschaftlichkeit der Schmelzvergasung bei Einsatzmaterialien mit erhöhten organikarmen Ascheanteilen verbessert.

[012] Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausfuhrungsbeispiel erläutert, wobei eine Monoverbrennungs-Kapazität von 100.000 ta TS im Wirbelschicht-Ofen betrachtet wird, die im Normalbetrieb 50.000 1 a Asche erzeugt. Beispielhaft wird die Verbrennungs-Kapazität für Klärschlamm nur zu 80 % genutzt, sodass nur 40.000 t/a Asche erzeugt werden. Die Hälfte der erzeugten Asche (20.000 t/a) wird zusammen mit dem verbleibenden Klärschlamm (20.000 t/a TS) gemischt und brikettiert. Die erzeugten feuchten Briketts (45.000 t/a) werden der Schmelzvergasung im Mephrec-Reaktor zugeführt, wobei die restliche Asche (20.000 t/a) dem Reaktor staubförmig über die Düsen eingeblasen werden. Wirbelschicht-Ofen und Mephrec- Reaktor arbeiten parallel. Das bei der Schmelzvergasung erzeugte Gichtgas wird der Verbrennungszone des Wirbelschicht-Ofens direkt zugeführt und unterstützt dort den Verbrennungs- Vorgang. Das zu reinigende Abgasvolumen aus dem Wirbelschicht-Ofen ist bei dieser Fahrweise nur unwesentlich größer als im Normalbetrieb bei der Verbrennung von 100.000 t/a TS. Die Schmelzvergasung im Mephrec-Reaktor kann somit ohne zusätzliche Gasreinigungs-Kapazitäten erfolgen. Anstelle von 50.000 t/a Klärschlamm-Asche aus der Monoverbrennung von Klärschlamm werden 55.000 t/a schwermetallarme Mephrec-Schlacke erzeugt, deren P-Gehalt in einer gut pflanzenverfügbaren Form vorliegt. Die Schlacke kann als P-Dünger eingesetzt oder als Vorprodukt für Mehrnährstoff-Dünger verwendet werden.